浅议智慧电厂建设

邵凤文

摘 要：从概念入手，分析智慧电厂与常规电厂的联系和区别，阐述了智慧电厂对管理的提升作用，并论述了智慧电厂的建设方案，供建设智慧电厂相关人员参考。

关键词：智慧电厂；常规电厂；建设

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.20.176

1 概念

《火力發电厂热工自动化术语》（DL/T 701-2012）对数字化电厂的描述分为三个层次：

（1）电厂数字化，利用计算机技术及及微处理器技术把反映火电厂生产过程和管理过程的对象的现象、特征、本质及规律的声音、文字、数字、符号、图形、和图像等模拟信息转换为数字信息的过程。

（2）数字化电厂，是电厂数字化达到一定程度后的概念。电厂各级控制和管理系统均进入数字化后称为数字化电厂。

（3）电厂智能化，广泛采用现代信息处理和通讯技术、智能传感技术、智能执行机构技术，以及智能控制方法和管理决策技术，最大限度达到火电厂安全、高效、环保运行状态的过程。

数字化电厂既不能简单归结为一个软件或系统，也非仅仅是一个项目，更是一种管理理论和方法，是数字化管理思想在发电行业的具体应用，是互联网思维在能源行业的具体应用，也贴合“工业4.0”、“中国制造2025”等发展理念。

智慧电厂是在物理和数字化电厂的基础上，通过建立先进控制系统和安全高效网络平台、数据存储和分析平台及信息交流平台，将相关制造、设计、施工、运行、维护、管理决策等互动起来，用先进管理理念和信息技术，就企业资源分析给出最合理的发电报价；就设备状态给出最恰当的维护指令；就工程建设进度给出最合算的资金调配；从而使电厂建设、管理、运营和维护更加智慧，实现环境友好、发展持续的科学发展目标，具有多点感知，全面互联，智能分析等特点。

2 智慧电厂与常规电厂的联系和区别

传统电厂已经建立了自动化控制系统和信息化系统进行日常生产运营管理，但这种按“实物价值链”构成的信息系统，其竞争策略是提高营运效率。而基于“虚拟价值链”不只考虑自动化，更关注信息的价值和灵活度，信息范畴不只是生产环节，而是覆盖电厂寿命周期全过程、各环节。

大型电厂拥有比较完整的控制和信息系统，运行控制DCS，事务办理MIS，检修维护有以设备为中心的EAM，分公司或集团层面有以财务为核心的ERP，各司其职，DCS负责监控、SIS负责监管，MIS负责管理，那么智慧电厂相对常规电厂而言，其新颖在何处？简单而言，智慧电厂是常规电厂的升级。

2.1 DCS升级

智能仪表、现场总线及虚拟仿真等综合技术对常规DCS进行全面升级换代。

2.1.1 运行全面数字化

要想全面数字化，必须建设先进的自动控制以及数字化信息管理系统，该系统总体架构分为三个层次，第一层是厂级信息管理层，第二层是过程控制层，第三层是现场测、控智能设备层。

现场智能设备层，是数字化控制系统基础部分，包括现场测量仪表、执行机构、电动阀门、电气马达控制器等均采用智能化设备，并以总线通讯的方式与控制系统连接，设备中大量的整定和维护信息通过数字化的现场总线网络送入控制系统，从而让运行和维护管理人员更加方便、快捷、科学管理现场仪表和设备。通过智能管理系统对设备的运行状态进行监测，对设备进行预测性维护，对工艺系统和工艺设备的运行工况进行优化，从而提高效率、降低能耗。

带有现场总线功能的DCS系统，其意义在于大量现场级设备数字化状态信号传输至数字化控制系统，通过设备的智能化管理改变维护策略，通过设备智能管理平台的应用，将传统的被动型维护模式转变成主动型维护模式，大量现场实时信息为精益管理决策提供基础和依据。

现场总线技术，其根本出发点是让电厂工艺流程的现场设备信息均实现数字化，特别是来自基层控制级的信息可以及时、准确掌握，是真正意义上的智能智慧电厂基石。

2.1.2 虚拟仿真与生产DCS结合

仿真技术的应用系统，旨在解决长期困扰电厂生产、运行与管理中的难题-避免生产干扰，消除事故隐患，减少事故发生，降低运行成本，实现最优运行，提高整体经济效益。

在实际应用中，为达到设计调试、人员培训、检测诊断等系统应用目标，需将真实DCS在非DCS的计算机系统中以某种形式再现，DCS与虚拟仿真技术的混合应用正是在这一客观的需求背景下应运而生。

根据仿真机中分散控制系统（DCS）设备和功能的复制方式，可将仿真分为模拟、虚拟和全激励三种方式。

2.2 MIS升级

由于电力生产的特殊性，有些事情采用现场管理反而会耽误事情，需要远程及时解决，传统MIS信息系统流转的是枯燥的二维表单或流程，而解决问题的最佳办法是虚拟出空间场景，场景感是人类最好的工作和认识模式，空间场景不仅仅是三维模型，还包涵可视化、信息化门户，从而使MIS生动起来。

2.2.1 基建MIS可视化管理

传统基建MIS是被动式的记录信息、处理信息，智能基建MIS构建了新一代基建MIS，具有模型化、专家化、知识化、模版化、智能化等特点。

对施工管理的支持，一是精益施工组织设计，不是简单的4D动画漫游，而是多维度、可视化、直观模拟，不仅仅只考虑本身业务的组织设计，还结合大数据应用，如考虑天气等因素；二是精益材料管理，小到一个螺母，大到大宗设备，所有相关内容均能快速浏览，材料分发与具体作业面、施工卷册挂钩，能随时快速盘点库存，材料管理整体有序、准确、节约。

整个基建过程的活动，信息系统均能自动推送相关提醒，提示下一个阶段工作内容并给出专业建议。

2.2.2 生产MIS可视化管理

设备管理模块或者图档管理以及两票操作均可进行可视化场景管理。将业务流程移植在三维虚拟门户基础上，利用可视化技术实现电厂业务+IT的全局可视化信息掌控，真正从业务源头进行管理，变被动为主动，涵盖电厂全寿命周期，数据中心、安全管理、培训操作、节能环保、设备管理、燃料管理、生产运营、决策管理等方面均可进行可视化管理。endprint

2.3 SIS升级

SIS已经向广义概念发展，扩展到发电企业集团级和集团科技中心级。从技术方面来看，火电厂实时生产过程的监控模式几乎没有大的实质性变化，运行值班人员有数据，但没有能力利用数据，相关数据不能顺利到达最有效的专家手中处理。大数据时代的到来，数据存储能力以及数据挖掘技术等正爆炸式发展，为我们提供了无限想象空间，火电厂实时生产过程信息化的广度和深度取得了前所未有的发展。调整监控模式，采用适当值班，增加实时数据挖掘和大数据分析人员，最终变班组考核机制为实时考核机制，通过技术手段来确保时刻优化进而增加电厂效益。

2.4 维修和维护系统的改进升级

基于三维设计系统的项目管理或基建体系对传统的检修管理提供可视化的项目管理、材料管理、虚拟检修等功能，再加上基于云计算和大数据分析等技术的设备故障诊断、趋势预警应用，这些对传统计算机化检修管理系统的补充和升级，能够完美实现设备检修导则所提倡的维护模式。

3 智慧电厂对提升管理水平的促进作用

智慧电厂全方位促进电厂管理水平的提升。

3.1 电厂运行

由于多点感知，全面互联，智能分析，准确获取全面信息的速度加快，使得电厂管理水平显著提高。

更加先进的控制系统必然减少日常维护人员，传统运行人员减少，高端复合人才要求增多，要求更多、更高水平的全能型值班员，运行人员不但懂电厂知识还需要精通计算机技能。

采集数据量的增加必然会带来管控模式的变化，例如国内有电厂提出一控三中心的生产组织架构，就是在尝试理清生产力与生产关系的匹配问题。

在确保安全的前提下，不断减员增效，管理水平自然不断提高。

3.2 安防管理

数字监控系统，三维工厂系统中输入危险源，人员定位，共同构成实时虚拟三维工厂，危险复杂区域机器人巡检，移动摄像头随时推送大修和临时检修现场图片，使电厂安防管理更加科学、更加严格。

3.3 电厂检维修

机器人巡检危险复杂区域，全面的物资管理、全面的设备寿命管理、趋势预警、故障诊断等使电厂维护强度减轻、电厂检修更加优化，检修向可靠性方向转变。

3.4 基建管理

数字资产已被越来越重视，数字化设计、综合交付管理、数字化移交，《发电工程数据移交》（GB_T 32575-2016）已正式颁发，间接证明数据移交的必要性已成为行业基本共识。

协同设计、4D施工模拟、精益材料管理、远程终端等使设计过程完全透明，基建各方时刻掌控所需信息，进而为科学决策带来可靠依据。

3.5 人員培训

在不影响电厂生产的情况下，全面解决员工培训体系的变化，培训体系发生了重大变化。

虚拟仿真体系，全激励式仿真，解决了运行人员的培训，而三维虚拟电厂，虚拟检修和电厂认识培训，VR以及AR等技术手段，使电厂各级人员和设备检维修管理人员培训效果得以保证，并且不影响实际生产。

3.6 电厂决策管理

信息全面，更加智能，决策更加科学，使电厂管理者从解决日常战术问题中解脱出来，更多时间来思考企业发展战略。

4 智慧电厂建设方案探讨

智慧电厂的建设分为新建工程、老厂改造两类整体解决方案，所有解决方案均有软硬件投入要求。

智慧电厂的基础是海量数据，如何管理这些大数据？由于云技术资源丰富、动态伸缩、综合性价比高等特点，电力企业纷纷改扩建或建立自己的数据中心，中心既可承担基础架构、平台、软件等服务，又可承担大数据综合分析利用等功能，在降低IT运行成本的同时，还能辅助企业高效运转。

4.1 新建工程

实施关键在于“提高认识、统一规划，执行有力，验收把关”。

对于数字化电厂当中的重要基础功能包——虚拟数字化三维工厂可由设计单位来承担，随着《发电工程数据移交》国标的实施，设备制造单位、设计、施工等单位越来越重视将过程成果转变为结构化、可视化数据，随着智能制造的推进，设备制造单位将逐步向设计院提供精细化的设备来缩短整体设计时间，非结构化数据也会被集成到虚拟工厂门户系统当中，这些都会被视为数字资产，供日后运行维护管理、新进员工培训等反复使用。

除建设常规的控制及信息系统外，还需重视门户系统的信息集成，将分散在多个系统或终端当中的数据集中到一个窗口或应用当中。

如采用机器人巡检，主厂房布置时要规划巡检通道。

4.2 老厂改造

老厂而言，通过无人机或者激光扫描装置等构建三维虚拟工厂是可行的技术方案。

改造现有信息门户，将MIS、SIS、DCS等系统数据集成到三维虚拟工厂门户，信息高度集中。

结合已有功能对SIS进行升级改造，利用云和大数据技术建设新的设备故障、针对诊断、趋势预警、性能分析等模块，为电厂更经济运行保驾护航。

云和大数据利用方面，神经网络、遗传、决策树、粗集等算法中以神经网络比较适合，规模较大的电厂都会建设私有云，而中小型企业建议租用公有云服务来节省成本。

4.3 智慧电厂建设模块

智慧电厂建设涉及到众多方面，可结合自身情况，量力投入，按模块投入，比如，三维工程平台、生产控制模块、生产管理模块、智能厂区、数据中心等。

5 结论及展望

数据是信息系统的源泉，但报表复杂枯燥，管理者很难了解大量、长串的设备名称与具体的资产之间的对应关系，更难了解和追溯设备资产的变动情况，在此情况下，企业管理者很难保证数据中心设备资产能够物尽其用。因此，需要企业有统一的规划平台，全面实施数字化、信息化、智能化管理，管控一体化，进而衍进到智慧管理的境界。

智慧电厂深刻影响电厂的运行、检修和经营等多个层面，它与现有的数字化电厂高度融合，与DCS、SIS、MIS和仿真高度相关，不仅是一套独立信息系统，更是高效管理的实践应用。

相对于基建、本体设备等方面的投资，智慧电厂的投资比重要小得多，但是先进的自动化、信息技术在减少建设成本、运行维修费用、提高管理工作效率和科学决策方面起着非常重要的作用，具有较高的投资价值。

参考文献：

[1]科远自动化公司资料[S].

[2]西门子公司资料[S].

[3]江苏省电力设计院资料[S].endprint